摘要：采用有限状态机的方法设计了一种自动门控制系统软件，可实现自动门的可靠开闭和精确检测。本文介绍了自动门控系统控制及检测要求，给出了有限状态机的基本原理，建立了基于有限状态机的程序设计模型，给出软件设计的部分关键代码。单步调试及装车实测证明：有限状态机模型有助于规范化解决控制系统软件设计问题。
关键词：有限状态机；信号检测；自动门控制
0引言
在某自动门控系统中，根据门控装置配置的光电传感器、接近开关、微动开关和控制按钮的状态，执行开门、关门、锁门及开关门二级缓冲动作。划分门控系统运行状态，确定不同输入条件下门控系统状态转移过程，是设计自动门控系统软件的关键。本文根据自动门控系统配置传感器的信号特征，合理划分门控系统运行状态，采用有限状态机原理，设计了门控系统控制和监测软件，极大地提高了软件设计可靠性。
1输入信号特征
自动门控系统输入信号包括：锁门状态信号、关门位置信号、关门检测信号、开门检测与位置信号、开门关门控制信号，分别以红外传感器、微动开关、接近传感器和门按钮实现物理动作与电信号转换，嵌入式微控制器根据输入信号的变化，按设计的控制逻辑，控制直流电机拖动自动门动作。自动门控系统原理框图如图1所示。
自动门控系统输入信号特征如下：
(1） 锁门状态信号，电平电压24 V、0 V有效，在红外传感器被锁舌遮挡时，信号能够保持低电平；
(2） 关门位置信号，电平电压24 V、24 V有效，当自动门门板上的金属挡板触碰微动开关使其闭合时，信号持续保持高电平；
(3） 关门检测信号，电平电压24 V、0 V有效，金属挡板遮挡接近传感器时，信号保持低电平；
(4） 开门检测与位置信号，电平电压24 V、0 V有效，金属挡板遮挡接近传感器时，信号保持低电平，金属挡板通过接近传感器后，信号恢复高电平；
(5） 开关门控制信号，由门按钮按下时给出电平电压为24 V的控制信号，有效时间<0.5 s，根据当前门状态控制直流电机的正转或者反转。
2输入信号检测方法
2.1检测方式
在嵌入式系统设计中，检测一个数字量，只需要检测数字量端口的高低电平。为了提高检测到的数字量的可靠性，一般采用滤波、多次检测的方式［1］。但是对于自动门控系统，系统需要实时、快速、稳定地检测到输入信号，因此要充分利用输入信号特征，系统状态对输入信号的屏蔽要求进行信号检测［2］。本文采用如下方法：
（1） 输入信号中断处理，沿触发；
（2） 按钮设备采用防抖处理；
（3） 针对不同门状态，屏蔽无关输入信号；
（4） 同时监测各个门状态下的设备信号。
通过上述几种对输入信号处理的方法，能够实时获取输入信号，及时处理。在这些信号处理的过程中，实际上是在自动门的多个状态下分别获取的，每一个状态不仅与输入信号相关，也与前一状态相关［3］。
2.2划分门状态
在自动门工作过程中，通过接收输入信号，根据当前门状态进行开门动作、关门动作、锁门指示以及开关门二级缓冲等动作。自动门在同一时刻只能处于一种门状态，同时为了提高自动门的可靠性，在一个门状态下，程序能够屏蔽其他无关设备信号的变化。
本文针对自动门控制系统，定义了6个门状态：
（1） 开门状态，表征自动门在完全开门后的停止状态；
（2） 正在开门状态，表征自动门从完全关门位向开门位移动的状态；
（3） 关门状态，表征自动门在完全关门后的停止状态；
（4） 正在关门状态，表征自动门从完全开门位向关门位移动的状态；
（5） 锁门状态，表征自动门机械锁死，卫生间有人占用的状态；
（6） 故障状态，表征自动门输入设备或自动门轨迹上有障碍物，无法正常开关门的状态。
2.3关于有限状态机
通过对信号处理的分析，采用有限状态机的方式建模将使信号处理更加方便可靠。有限状态机（Finite State Machine， FSM）常见于数字时序电路设计,是概念上、理论上的一种机器。有限状态机包括：一组有限的状态集，是描述系统中不同状态的集合；一个起始状态，指示系统开始时的状态；一组输入符号集，是系统接收的不同输入信息的集合；一个状态转移函数，将输入符号和当前状态映射到下一状态［4］。
当输入符号串时，有限状态机随即进入起始状态，在任意特定时刻，只能处于其中一种状态。状态的转换依赖于当前状态、输入符号（触发条件）和转换函数，转换时间理论上为0［5］。
根据已定义的门状态，各状态机对应的输入符号集及状态转换函数如下：
（1）S1,开门（STATE_OPENED）：门外开门按钮触发时保持，门内开关门按钮触发或延时40 s后转入正在关门状态。在正在开门状态下，当开门接近开关由高电平转为低电平时转入。
（2）S2,关门（STATE_CLOSED）：无外部触发时保持，门内开关门按钮、门外开门按钮触发时转入正在开门状态。在正在关门状态下，当微动开关由低电平转为高电平时转入；在锁门状态下，当光电开关由低电平转为高电平时转入。
（3）S3,正在开门（STATE_OPENING）：在此状态下，门按钮触发时保持，当开门接近开关由高电平转为低电平时转入开门状态。在关门状态下，当门按钮触发时转入；在正在关门状态下，当异物或人阻挡门关闭时转入。
（4）S4,正在关门（STATE_CLOSING）：在此状态下，门按钮触发时保持，当异物或人阻挡门关闭时转入正在开门状态。在开门状态下，门内开关门按钮触发时转入；在故障状态下，门内开关门按钮触发时转入。
（5）S5,锁门（STATE_LOCKED）：在此状态下，门按钮触发时保持，当光电开关由低电平转为高电平转入关门状态。在关门状态下，光电开关由高电平转为低电平时转入。
（6）S6,故障（STATE_FAULT）：在此状态下，门外开门按钮触发时保持，当门内开关门按钮触发时转入正在关门状态。在连续关门失败两次之后，门打开并转入。基于有限状态机的门控制过程如图2。
3设计实现
在自动门控制系统中，通过中断检测信号上升沿或下降沿变化，实时获取相应传感器状态信息并使系统当前状态跳转到另一状态，使用switch…case语句在每次循环中检测系统状态，并执行相应动作［6］。软件程序使用C语言实现，包括程序定义状态机、信号实时检测、状态执行任务等［7］。
3.1状态机
状态机的定义为：
typedef enumSTATE
{
STATE_OPENED,//S1:开门状态
STATE_CLOSED,//S2:关门状态
STATE_OPENING,//S3:正在开门状态
STATE_CLOSING,//S4:正在关门状态
STATE_LOCKED,//S5:锁门状态
STATE_FAULT//S6:故障状态
} STATE
3.2信号实时检测
外部传感器有一个关门微动开关，一个关门接近开关，一个开门接近开关，一个锁门光电开关，另有两个门按钮——开门按钮与开关门按钮，分别连接至控制板的POS1,POS2,POS3,LOCK,SW1,SW2六个信号端口。由于各个传感器的设计不同，微动开关采用24 V供电，高电平有效，两个接近开关和一个光电开关采用24 V供电，低电平有效。在程序内部，初始化四个信号端口对应的I/O口，初始化中断，其中微动开关、两个门按钮配置为上升沿触发，关门接近开关、锁门光电开关配置为下升沿触发，开门接近开关上升下降沿触发。信号检测代码位于中断服务函数中［8］。
相关的中断控制包括：
（1）微动开关信号上升沿进入中断，系统状态设置为关门状态；
（2）关门接近开关信号下降沿进入中断，给出自动门关门减速控制信号；
（3）开门接近开关信号下降沿进入中断，给出自动门开门减速控制信号，上升沿进入中断，系统状态设置为开门状态；
（4）锁门光电开关信号下降沿进入中断，系统状态设置为锁门状态，上升沿进入中断，系统状态设置为关门状态；
（5）门按钮信号上升沿进入中断，控制自动门开门或关门，同时设置系统状态为正在开门状态或正在关门状态。
3.3状态执行任务
在进行状态循环检测之前，需要对系统上电之后的门状态进行一次判断，使门关闭。状态循环检测由while循环实现，采用switch语句在每个分支case对应的状态执行相应的动作。
while(1)
{
switch(STATE)
{
case STATE_OPENED:
ID1 = ID2 = 0;
DRV1 = DRV3 = 0;
TIM_SetCompare1(TIM3,DRV1);
TIM_SetCompare3(TIM3,DRV3);
……
break;
case STATE_CLOSED:
ID1 = ID2 = OCUP = 0;
DRV1 = 0, DRV3 = stopspeed;
TIM_SetCompare1(TIM3,DRV1);
TIM_SetCompare3(TIM3,DRV3);
……
break;
case STATE_OPENING:
if(BUFF_OPEN==0) OpenDoor_Control();
while(!BUFF_OPEN)
{
…… //电机过流检测
}
CloseToOpen();
……
break;
case STATE_CLOSING:
if(BUFF_CLOSE==0) CloseDoor_Control();
while(!BUFF_CLOSE)
{
…… //电机过流检测
}
OpenToClose ();
……
break;
case STATE_LOCKED:
ID1 = ID2 = OCUP = 1;
break;
case STATE_FAULT:
FAULT = 1;
break;
default:
delay_ms(5);
break;
}
}
4测试与验证
4.1软件仿真、在线仿真测试
采用KEIL自带的软件仿真工具进行测试。首先进行信号检测任务的测试，通过软件模拟给出外部设备信号，分步调试观察外部设备信号的变化，能够使程序跳入中断服务函数内，并在执行完控制量设置之后能够跳出中断服务函数，回到主循环。其次进行有限状态机功能测试，对于在不同状态下接收到的每一个外部设备信号，确认是否能将其他无关信号屏蔽，能否在当前状态下产生相对应的控制量，能否实时监测相关信号是否正常，能否接收有效的外部设备信号并跳转到下一状态。
采用在线仿真测试，测试内容与软件仿真相似，不同之处是将JLINK在线调试器连接到控制板，外部设备信号由真实的外部设备给出，显示输出信号占用的指示灯和故障指示灯也连接到控制板上，在线调试的优点在于既能做接近于真实情况的实验，又能在线调试控制板，观察各个信号的变化。
4.2装车测试
此测试采用CRH380高速动车组列车的残疾人卫生间门控装置以及传感器，替换原有控制器。在装车测试中，针对自动门关门、开门、缓冲、防夹功能以及故障、占用指示功能进行逐一测试。
5结论
采用有限状态机实现自动门状态控制与检测的方法，能够可靠检测外部设备信号，在相应状态下能够屏蔽无关设备信号，提高了自动门实时控制的可靠性。
参考文献
［1］ 施先旺, 刘婷婷, 李国良. 采用有限状态机实现控制指令的可靠检测［J］. 火箭推进, 2011, 37(5): 63-68.
［2］ 何剑宇, 刘兢兢. 有限状态机建模在嵌入式按键设计中的应用［J］. 沈阳师范大学学报: 自然科学版, 2012, 30(2): 168-171.
［3］ 徐智穹, 刘健, 邱浩. 有限状态机在嵌入式软件设计中的应用［J］. 低压电器, 2008(13)：20-22.
［4］ 冯竞楠. 利用有限状态机的交通灯控制系统设计与仿真［J］. 电子设计工程, 2011, 19(12): 156-159.
［5］ Miro Samek.嵌入式系统的微模块化程序设计——实用状态图C/C++实现［M］. 敬石钧，陈丽蓉，译.北京：北京航空航天大学出版社, 2004.
［6］ 李晓锋, 宋锐, 曾小宝. 有限状态机在嵌入式系统中的实现及应用［J］. 广西轻工业, 2008, 24(4): 38-39.
［7］ 范晶,胡爱兰.基于状态机的PEX8311的DMA实现［J］.微型机与应用,2014,33(22):30-33.
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